Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом

Заряженные частицы и g-фотоны, распространяясь в веществе, взаимодействуют с электронами и ядрами, в результате чего изменяется состояние как вещества, так и частиц.

Основным механизмом потерь энергии заряженной частицы (a и b) при прохождении через вещество является ионизационное торможение. При этом ее кинетическая энергия расходуется на возбуждение и ионизацию атомов среды.

Взаимодействие частицы с веществом количественно оценивается линейной плотностью ионизации, линейной тормозной способностью вещества и средним линейным пробегом частицы. Поглощение одной и той же дозы излучения приводит к различным эффектам.

Пробег частицы – длина ее пути в веществе до полной остановки.

Критерием «качества» излучения, эффективности его биологического действия служит величина дифференциальной потери энергии частиц на единицу длины пути , которая получила название «линейная передача энергии» (ЛПЭ).

В математических выражениях ЛПЭ обозначается символом L:

L =

Величина ЛПЭ в кэВ/мкм зависит от плотности вещества.

Величина ЛПЭ – важнейшая радиобиологическая характеристика излучения, показатель его биологической эффективности или «качества»; физическая природа частиц или квантов не сказывается на специфике биологического действия, например, при равных ЛПЭ наблюдают одинаково эффективное подавление размножения клеток как в результате рентгеновского облучения, так и при действии a-частиц.

Линейной плотностью ионизации (ЛПИ) называют отношение L/W, где L – ЛПЭ, W – энергия, необходимая для образования одной пары ионов. Точное значение W для тканей неизвестно. Для гадов значение W было измерено многими исследователями, оно составляет около 34 эВ. Для приблизительной оценки плотности ионизации в конденсированных системах обычно используют соотношение:

Чем выше значение ЛПЭ, тем больше энергии оставляет частица на единицу пути, тем плотнее распределены создаваемые его ионы вдоль трека.

На различных биологических объектах было проведено сопоставление эффективности различных типов ионизирующих частиц. Эти эксперименты позволили количественно оценить эффективность различных видов ионизирующих излучений и ввести коэффициенты, которые для каждой конкретной биологической системы называют эффективность данного типа излучения по сравнению с выбранным стандартным излучением. Коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ) определяется из соотношения:

Для каждой излучаемой системы коэффициент ОБЭ находят путем сопоставления эффектов стандартного и исследуемого излучений, примененных в одинаковой дозе.

Для расчетов различных санитарных норм принимают относительные величины ОБЭ, которые являются усредненными результатами экспериментов на различных системах. Эти величины приведены в таблице:

Относительная биологическая эффективность

различных видов излучений

Виды излучения	ОБЭ
Рентгеновские и g-лучи до 3 МэВ	1
b-лучи до 3МэВ	1
a-лучи	20
Протоны и дейтроны (0,5-10Мэв)	10
Медленные нейтроны	3
Быстрые нейтроны (до 20МэВ)	10
Тяжелые ускоренные ионы	20

В таблице представлены результаты количественных измерений ионизирующей способности a-частиц и глубины их проникновения в ткани.

Энергия a-частиц, МэВ	ЛПЭ, КэВ/мкм	Длина пробега, МКМ	Число первичных ионов на 1мкм пути в ткани, пар ионов/мкм
	263,9	5,3	6207,0
	134,6	16,8	2031,0
	82,01	47,0	1109,0
	60,41	91,6	775,4
	55,71	108,4	706,4

Длина пробега, потеря энергии и число первичных ионов при прохождении a-частиц в тканях плотностью 1г/см³.

Картинка, наблюдаемая при облучении тканей потоком b-частиц, отличается от рассмотренной выше прежде всего криволинейной траекторией частиц в веществе. Это связано с равенством масс взаимодействующих частиц: в единичном акте соударения с орбитальным электроном b-частица теряет большое количество энергии и изменяет первоначальное направления движения (рисунок).

Истинная и практическая длина пробега электронов в веществе. Путь от А до В – истинная длина пробега, L – практическая длина пробега (проникновения).

Длина пробега b-частиц определяется их энергией: при энергии 150 кэВ они проникают в ткань на глубину 278 мкм, а очень быстрые частицы с энергией 50 МэВ – на глубину до 19 см.

Величина ЛПЭ электронов и плотности распределения, генерируемых ими ионов быстро убывает с увеличением скорости частиц (таблица).

Энергия электронов, КэВ	Длина пробега, мкм	Потеря энергии, КэВ/мкм	Число первичных ионов на 1мкм/ткани, пар ионов/мкм
0,1	0,003	33,23
0,2	0,006	28,71	843,1
0,8	0,038	14,17	285,3
2,0	0,1595	7,680	127,8
9,5	2,303	2,367	31,90
22,5	10,51	1,233	15,06
45,0	35,76	0,7255	8,452
90,0	118,0	0,4462	4,986
150,0	278,1	0,3278	3,567
450,0	1508,5	0,2108	2,166

Длина пробега, потеря энергии и число первичных ионов, вызываемых электронами в ткани плотностью 1 г/см³.

Электронейтральные частицы (нейтроны, рентгеновское и g-излучение), обладая высокой проникающей способностью, углубляются в ткани на значительные расстояния. Они формируют большинство ионизаций косвенным путем: фотоны рентгеновского и g-излучения – за счет ускоренных электронов, а нейтроны – за счет ядер отдачи. Эти заряженные частицы в основном и осуществляют перенос энергии излучения веществу, вызывая ионизации и возбуждения атомов.

Мягкие рентгеновские лучи (до 100кэВ) поглощаются в поверхностных слоях ткани за счет фотоэффекта. Длина пробега фотоэлектронов не превышает 2 мм, поэтому биологически существенный эффект, связанный с ионизацией атомов и молекул, возникает вблизи места поглощения падающего кванта.

Жесткие рентгеновские и g-лучи с энергией фотонов выше 300кэВ поглощаются в основном за счет эффекта Комптона. Максимум их поглощения лежит на глубине нескольких сантиметров.

При облучении тканей нейтронами с энергией 14МэВ 25% поглощенной дозы на глубине 15см создают тяжелые ядра отдачи с ЛПЭ выше 50кэВ/мкм и 70% - протоны отдачи (т.е. ускоренные ядра водорода) с ЛПЭ = 16кэВ/мкм.

Под линейной плотностью ионизации i понимают отношение числа d n ионов одного знака, образованных заряженной ионизирующей частицей на элементарном пути d l, к этому пути: i = d n/ d l.

Линейной тормозной способностью вещества S называют отношение энергии d Е, теряемой заряженной ионизирующей частицей при прохождении элементарного пути d l в веществе, к длине этого пути: S = d E /d l.

Средним линейным пробегом заряженной ионизирующей частицы R является среднее значение расстояния между началом и концом пробега заряженной ионизирующей частицы в данном веществе.

График зависимости линейной плотности ионизации от пути х, проходимого
a-частицей в среде (воздух), показан на рис. 27.3. По мере продвижения частицы в среде уменьшаются ее энергия и скорость, линейная плотность ионизации при этом возрастает и только при завершении пробега частицы резко убывает. Возрастание i обусловлено тем, что при меньшей скорости
a-частица больше времени проводит вблизи атома и, таким образом, возрастает вероятность ионизации атома. Как видно из рисунка, линейная плотность ионизации a-частиц естественно-радиоактивных изотопов в воздухе при нормальном давлении составляет i = (2 ¸ 8) • 10⁶ пар ионов/м.

Так как для ионизации молекул, входящих в состав воздуха, требуется энергия около 34 эВ, то значения линейной тормозной спо­собности вещества (воздуха) S лежат в интервале 70—270 МэВ/м.

Средний линейный пробег a-частицы зависит от ее энергии и от плотности вещества. В воздухе он равен нескольким сантиметрам, в жидкостях и в живом орга-
низме — 10—100 мкм. После того как скорость a-частицы уменьшается до скорости молекулярно-теплового движения, она, захватив два электрона в веществе, превращается в атом гелия.

Ионизация и возбуждение являются первичными процессами. Вторичными процессами могут быть увеличение скорости молекулярно-теплового движения частиц вещества, характеристическое рентгеновское излучение, радиолюминесценция, химические процессы.

Взаимодействие a-частиц с ядрами — значительно более редкий процесс, чем ионизация. При этом возможны ядерные реакции, а также рассеяние a-частиц.

Бета-излучение, так же как и a-излучение, вызывает ионизацию вещества. В воздухе линейная плотность ионизации b-частицами может быть вычислена по формуле

i = k(c/ u )²,

где k» 4600 пар ионов/м, с — скорость света, a u — скорость b-частиц.

Кроме ионизации и возбуждения b-частицы могут вызывать и другие процессы. Так, например, при торможении электронов возникает тормозное рентгеновское излучение. Бета-частицы рассеиваются на электронах вещества, и их пути сильно искривляются в нем. Если электрон движется в среде со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света в этой среде, то возникает характерное черепковское излучение (излучение Черепкова — Вавилова).

При попадании b⁺-частицы (позитрона) в вещество с большой вероятностью происходит такое взаимодействие ее с электроном, в результате которого пара электрон — позитрон превращается в два g-фотона. Этот процесс, схема которого показана на рис. 27.4, называют аннигиляцией. Энергия каждого g-фотона, возникающего при аннигиляции, оказывается не меньше энергии покоя электрона или позитрона, т. е. не менее 0,51 МэВ.

Несмотря на разнообразие процессов, приводящих к ослаблению излучения, можно приближенно считать, что интенсивность его изменяется по экспоненциальному закону, подобному (26.8). В качестве одной из характеристик поглощения b-излучения веществом используют слой половинного ослабления, при прохождении через который интенсивность b-частиц уменьшается вдвое.

Можно считать, что в ткани организма b-частицы проникают на глубину 10—15 мм. Защитой от b-излучения служат тонкие алюминиевые, плексигласовые и другие экраны. Так, например, слой алюминия толщиной 0,4 мм или воды толщиной 1,1 мм уменьшает вдвое
b-излучение от фосфора .

При попадании g-излучения в вещество наряду с процессами, характерными для рентгеновского излучения (когерентное рассеяние, эффект Комптона, фотоэффект, см. § 26.3), возникают и такие явления, которые неспецифичны для взаимодействия рентгеновского излучения с веществом. К этим процессам следует отнести образование пары электрон — позитрон, происходящее при энергии g-фотона, не меньшей суммарной энергии покоя электрона и позитрона (1,02 МэВ), и фотоядерные реакции, которые возникают при взаимодействии
g-фотонов больших энергий с атомными ядрами. Для возникновения фотоядерной реакции необходимо, чтобы энергия g-фотона была не меньше энергии связи, приходящейся на нуклон.

В результате различных процессов под действием g-излучения образуются заряженные частицы; следовательно, g -излучение также является ионизирующим.

Ослабление пучка g-излучения в веществе обычно описывают экспоненциальным законом (26.8). Линейный (или массовый) коэффициент ослабления можно представить как сумму соответствующих коэффициентов ослабления, учитывающих три основных процесса взаимодействия — фотоэффект, Комптон-эффект и образование электрон-позитронных пар:

m = m_ф + m_нк + m_п. (27.14)

Эти основные процессы взаимодействия происходят с разной вероятностью, которая зависит от энергии g-фотона (рис. 27.5; кривая получена для свинца). Как видно из рисунка, при малых энергиях основную роль играет фотоэффект, при средних — Комптон-эффект и при энергиях, больших 10 МэВ, — процесс образования пары электрон — позитрон.

Экспоненциальный закон ослабления пучка g-фотонов выполняется приближенно, особенно при больших энергиях. Это обусловлено вторичными процессами, возникающими при взаимодействии g-излучения с веществом. Так, например, электроны и позитроны обладают энергией, достаточной для образования новых g-фотонов в результате торможения и аннигиляции.

Поток нейтронов тоже является ионизирующим излучением, так как в результате взаимодействия нейтронов с ядрами атомов образуются заряженные частицы и g-излучение. Проиллюстрируем это несколькими примерами:

— деление ядер при захвате ими нейтронов: образование радиоактивных осколков,
g-излучения и заряженных частиц;

— образование a-частиц, например:

— образование протонов, например: .

Дата добавления: 2014-01-07